В основу этого документа положена информация, подготовленная для технического отчета Института Высокопроизводительных Вычислений и Баз Данных в Министерство науки и технологий РФ в декабре 1997 г.
Развитие высокопроизводительных компьютерных систем в 1997 году было обусловлено многочисленными изменениями на рынке суперкомпьютерной техники.
Соединенные Штаты по-прежнему являются лидером по производству и использованию высокопроизводительных систем. Собственные суперкомпьютерные системы выпускают японские и европейские компании.
Особенностью 1997 года стало, в частности, то, что одно из первых мест, определенное по интегральному индексу производительности, принадлежит суперкомпьютеру, установленному в Европе. Подобное событие, с одной стороны, послужило причиной довольно сильного подъема европейского компьютерного рейтинга, а с другой, повлекло дополнительное усиление позиций американских компаний-производителей.
Лидерство по производительности разделили между собой компании Intel и SGI/Cray. Вычислительная система компании Intel "ASCI Red", объединяющая в себе 9152 процессора и установленная в Национальной лаборатории Сандиа (США) является наиболее мощным компьютерным ресурсом текущего года. Близкими показателями обладают две следующих по мощности системы, компьютеры типа T3E900 компании SGI/Cray. Первая из этих систем, оснащена 1248 процессорами и обслуживает правительственные структуры Соединенных Штатов, а вторая, с 840 процессорами используется в Метеорологическом офисе Брекнелла (Великобритания). Японские суперкомпьютерные системы, таким образом, были оттеснены с первых мест, которые они занимали в 1996 году. Лидирующая в 1996 г. 2048-процессорная система CP-PACS компании Hitachi из центра вычислительной физики Университета Цукубы, теперь занимает только четвертое место.
Современным лидером мира высокопроизводительных систем является суперкомпьютер "ASCI Red" стоимостью в 46 миллионов долларов, который объединяет в себе 9152 процессора Pentium Pro и 256 Гигабайт оперативной памяти. Система предназначена, в первую очередь, для поддержки исследований по программам Департамента Энергетики, моделированию новых материалов и лабораторных исследований ядерного и обычного оружия. Пиковая производительность "ASCI Red" достигает грандиозной по сегодняшним масштабам величины: - 1,83 Терафлоп в секунду.
Рассматривая архитектурные особенности современных высокопроизводительных вычислительных систем, можно легко заметить, что большинство компьютеров попадает в следующие, четко очерченные группы:
Подобные системы разрабатываются для выполнения операций с большими массивами чисел. Векторные суперкомпьютеры обычно имеют большую пропускную способность за счет организации нерегулярного варианта доступа к памяти. Благодаря высокой пропускной способности, велика возможность масштабирования таких систем. Для достижения максимальной производительности векторные компьютеры используют большие массивы статической памяти (SRAM), работоспособность которых поддерживают системы жидкостного или (реже) воздушного охлаждения. В число компьютерных систем подобного класса попадают, например, суперкомпьютеры Cray T-90, Cray J90, NEC SX-4, а также векторные системы компании Convex.
Процессорные системы на одной или двух микросхемах CMOS появились среди RISC процессоров в конце 1980-х, позволяя достичь высокой производительности на выполнении операций с плавающей точкой. Современное поколение суперскалярных RISC процессоров может выполнить многочисленные операции в пределах одного временного цикла. Процессоры рабочих станций удобны для разработки и производства, но плохо приспособлены для объединения в больших количествах. В отличие от векторных процессоров рабочие станции используют простую динамическую память (DRAM). Относительно низкая пропускная способность подобного типа основной памяти, основана на малом объеме статического кэша процессоров, применяемого для обеспечения высокоскоростного доступа к наиболее часто используемым данным. Тем не менее рабочие станции на базе процессоров MIPS R10000, HP PA-8000, IBM POWER2 и Digital Alpha показывают производительность, сравнимую с производительностью первого поколения суперкомпьютеров.
Симметричные мультипроцессорные системы c шинной топологией объединяют в отдельные группы ограниченное число процессоров с помощью центральной перекрываемой структуры доступа к банкам памяти. Обычно такие системы объединяют от 2 до 36 процессоров и доступны для пользователя, в виде единой системы. Шина разделяемой памяти ограничивает доступную пропускную способность и, соответственно, число процессоров, которое может использоваться. Типичными примерами SMP систем являются компьютеры SGI POWER CHALLENGE, а также J и K классы рабочих станций компании Hewlett Packard, DEC AlphaServer и т.п.
Суперкомпьютеры, разработанные по технологии MPP объединяют большое число микропроцессоров, вплоть до нескольких тысяч, посредством соединения каждого из них с локальным банком памяти за счет использования высокоскоростной коммутационной среды. Современные MPP систем развиваются преимущественно по двум основным направлениям: - это MIMD- ("множество инструкций - множество данных") и SIMD- ("одна инструкция - множество данных") системы. Наибольший коммерческий успех выпал сегодня на долю MIMD-технологии. Программное обеспечение и операционные системы MPP-компьютеров реализованные на различных узлах сильно отличаются, что не дает возможности представлять такие компьютеры в виде единой пользовательской системы. Впрочем, отдельные MPP-системы способны на ограниченном числе процессоров выполнять задачи SMP компьютеров, примером таких машин могут служить компьютеры типа Origin (Silicon Graphics) и Exemplar (Hewlett Packard). В число MPP систем попадают компьютеры Cray T3E и Origin 2000 от SGI/Cray, HP Exemplar, IBM SP2 и др.
Векторно-параллельные компьютеры объединяют в себе достоинства и недостатки как массивно-параллельных, так и векторных систем. Основные производители и наиболее последовательные приверженцы подобного класса техники - японские компании Fujitsu и Hitachi.
Почти 60% установленных суперкомпьютерных систем верхнего уровня принадлежат сегодня к классу MPP систем, 17% составляют суперкомпьютеры с симметричной мультипроцессорной архитектурой (SMP), а 14% - векторные системы.
Рис. 1 Архитектуры суперкомпьютерных систем
Несмотря на низкую архитектурную масштабируемость, которая ограничивает достигаемый уровень производительности SMP систем, компания Sun, развивающая сегодня компьютеры подобного класса довольно сильно продвинулась в этом направлении. Так одна из самых мощных вычислительных систем, выпускаемых компанией Sun - "Ultra HPC 10000" имеет величину пиковой производительности 32 Гигафлопа в секунду.
Поместив на диаграммы количество инсталлированных суперкомпьютерных систем можно определить лидирующие компании-производители по каждой из рассмотренных выше системных архитектур.
Рис. 2-5. Архитектуры систем и их производители.
На рынке векторно-параллельных систем безусловным лидером является компания Fujitsu, занимающая в содружестве с Simens Nixdorf более половины инсталляций. Столь же однозначным лидером среди поставщиков векторных и массивно-параллельных (MPP) систем выглядит группа SGI/Cray.
Глобальные тенденции изменения производительности суперкомпьютеров можно проследить, изобразив на графике рост производительности для систем занимающих 1, 100 и 500 места в популярном и широко известном компьютерном списке Top 500 (http://www.netlib.org/benchmark/top500.html) .
Рис. 6-8. Изменение производительности систем по 1-му, 100-му и 500-му местам из списка TOP500
Из представленного выше анализа, можно увидеть, что производительность мощнейших суперкомпьютерных систем в 1997 г. сильно увеличилась. Похожая ситуация наблюдается и среди нижнего класса "хай-энд" систем. Кривая суммарной производительности также указывает на серьезный рост вычислительной мощности суперкомпьютеров за 1997 г.
Рис. 9. Суммарная производительность суперкомпьютерных систем
Основываясь на информации об инсталляциях суперкомпьютерных систем, полученной из списка TOP500, была составлена диаграмма географического распределения суперкомпьютеров. Как и ожидалось, максимальное количество подобных систем находятся в США. Второе и третье место занимают соответственно Европа и Япония. На долю остальных стран мира, как можно видеть, приходится всего лишь 5% суперкомпьютерных систем.
Рис. 10. Географическое распределение суперкомпьютерных систем.
Другая диаграмма показывает нам тенденции повышения производительности систем в различных мировых регионах.
Рис. 11. Географическое распределение производительности суперкомпьютерных систем.
Можно заметить, что в отличие от распределения по количеству систем, по показателю инсталлированной производительности Япония, обогнала Европу. Этот вывод отражает тот факт, что в последние несколько лет в Японии было установлено несколько чрезвычайно мощных суперкомпьютерных систем последнего поколения. Системы: Fujitsu VPP500, NEC SX4 и Hitachi SR2201 в 1996 году занимали лидирующие позиции по списку TOP500.
Рис. 12. Изменение количественного баланса суперкомпьютерных систем
На графике представлено изменение количества систем верхнего уровня в различных регионах мира. Наиболее ярко выражено увеличение числа суперкомпьютеров в Японии, которая понемногу догоняет Европу по этому показателю. Число европейских суперкомпьютеров наоборот понемногу снижается.
Однако из графика роста производительности систем на рис. 13 можно видеть, что в 1997 г., впервые с 1993 г., показатель суммарной производительность компьютерных систем, установленных в Европе, превысил аналогичный показатель для суперкомпьютеров в Японии. И пока остается только гадать, случаен полученный результат или он напрямую связан с выдвинутым в Европе лозунгом "Суперкомпьютер 2000" ?
Рис. 13. Рост производительности компьютерных систем
Взглянув на производительность различных компьютерных систем не трудно заметить явное лидерство группы SGI/Cray. Второе место по этому показателю занимает компания Intel ненамного, впрочем, обогнавшая следующую за ней IBM.
Рис. 14. Производительность суперкомпьютерных систем
Если же обратить внимание к отдельным регионам мира, то рейтинг поставщиков распределится следующим образом:
Рис. 15. Распределение производительности систем в США
В Соединенных Штатах американское законодательство и напор американских вэндоров практически не дают возможности пробиться на внутренний рынок мощным системам иностранных производителей. Естественным лидером здесь является SGI/Cray, имеющая 53% инсталлированной производительности.
Рис. 16 Распределение производительности систем в Японии
Положение в Японии не столь однозначно, хотя и там наблюдается серъезное преобладание национальных суперкомпьютерных систем. Тем не менее та же SGI/Cray имеет в Японии до 13% по общему рейтингу производительности систем.
Рис. 17. Распределение производительности систем в Европейском регионе
В Европейском регионе производительность установленных американских систем, в особенности компьютеров SGI/Cray явно доминирует. Их позиции еще более усилились в связи с инсталляцией в 1997 г. самой мощной системы Cray T3E в Великобритании, которая сегодня занимает третье место в списке производительности TOP500.
Рис. 16. Распределение производительности систем в других регионах мира
Наиболее интересная в этом плане ситуация наблюдается в других регионах. Здесь лидирует японская компания NEC, c 55% суммарной производительности, в то время, как группа SGI/Cray имеет только 2%.
Огромным потрясением для производителей высокопроизводительных систем стала покупка в 1996 г. Cray Research компанией SGI, однако их слияние породило всего-навсего нового лидера рынка. На сегодняшний день группа SGI/Cray держит около 45% от рынка высокопроизводительных систем и это лишь немногим больше, чем имела компания Cray Research в 1993 г. (41%).
Непосредственным фактором, удерживающим SGI/Cray на вершине суперкомпьютерного "Олимпа" стали инсталляции новейших систем типа Cray T3E и ORIGIN 2000.
Компания Sun заняла второе место после SGI/Cray по числу инсталлированных систем (18%) за счет инсталляции компьютеров Ultra Enterprise 10000. На 3 процента отстает IBM cо своей компьютерной системой SP2.
Три японские компании Fujitsu, NEC и Hitachi удерживают около 14% рынка суперкомпьютерных систем.
1997 г. нельзя считать необычным в отношении развития передовой компьютерной техники, тем не менее этот год привел к определенным изменениям в структуре суперкомпьютерного рынка. В данном разделе приведены основные результаты анализа таких изменений.
Производительность систем, занимающих 100-ю и 500-ю позиции в списке TOP500 ежегодно увеличивается приблизительно в два раза, в то время как производительность наиболее мощной суперкомпьютерной системы в 1997 г. возросла в 3,6 раза, а полная инсталлированная производительность еще более: - в 4,2 раза.
Лидерующими высокопроизводительными системами 1997 г. стали суперкомпьютеры компаний Intel и SGI/Cray.
Американские и японские производители суперкомпьютеров доминируют на своих внутренних рынках, в то время, как роль европейских производителей очень мала даже на "домашнем" рынке Европы.
Компании SGI/Cray, Intel и IBM лидируют по числу инсталлированных компьютеров и уровню инсталлированной производительности.
Мульти-параллельные (MPP) системы являются на сегодняшний день доминирующей архитектурой на рынке суперкомпьютерной техники.
В 1997 г. продолжилось усиление тенденции создания суперкомпьютерных систем на базе бинарно-совместимых с основными семействами рабочих станций узлов. Яркими представителями систем подобного класса являются, например, компьютеры Sun Enterprise 10000 и HP Exemplar V-class server.
В России впервые инсталлирована суперкомпьютерная система высокой производительности (48-процессорная система Sun Ultra Enterprise 10000 установлена в национальном резервном банке Москвы, пиковая производительность системы 24 GFlops).
Российская наука и промышленность до настоящего времени не имеет ни одной действительно мощной суперкомпьютерной системы. Производительность самой мощной восьмипроцессорной системы Cray YP, установленной в Гидрометеорологическом центре Российской Федерации не превышает 2 GFlops.
1. J. J. Dongarra, H. W. Meuer
and E. Strohmaier, TOP500 Supercomputer Sites. Technical Report
University
of Mannheim, Germany, November 1997
2. H. W. Meuer, H. D. Simon and E.
Strohmaier, 1996: The Industrial Usage of HPC
Systems. University
of Mannheim, 1996
3. Nabih E. Bedewi, Lawrence Miller,
Azim Eskandarian, Cing-Dao Kan,
Role of High-Performance
Computing in Crashworthiness and Highway Safety
Research - Present
and Future, FHWA/NHTSA National Crash Analysis Center,
The George Washington
University,
Leonard Meczcowski,
Federal Highway Administration, US Department of Transportation,
Proceedings of
the 3rd International Conference on High Performance Computing
in Automotive Industry,
October, 1996
Малашонок Д. Ю.
Зав. Лаб. "Системной интеграции"
Суперкомпьютерный центр
Институт высокопроизводительных вычислений
и баз данных
Министерства науки и технологий Российской
Федерации
email: mal@csa.ru
Гипертекстовая версия обзора подготовлена 3.01.1999